老机组ESP改造的真问题：锅炉与静电除尘一体化思维

基于印度老电站静电除尘器性能实测的原因剖析与改造建议——V. Hariharan 与 K. Sivaraman 研究解读

关键词
electrostatic precipitator,ESP performance,old boilers,boiler–ESP integration,air preheater leakage,工业烟气治理,燃煤电厂超低排放

在工业烟气治理日益趋严的今天，“50 mg/Nm³”已成为燃煤电厂静电除尘器（ESP）改造项目的高频词。对服役超过25年的老机组而言，要在保持高负荷发电的同时，将粉尘排放稳定压低到50 mg/Nm³ 以下，本质上已不再是“单纯把除尘器做大一点”的设备问题，而是锅炉—空预器—烟道—ESP—引风系统的整体工况管理问题。

V. Hariharan 与 K. Sivaraman 以印度多台服役25–30年的110 MW 与210 MW 机组为对象，对静电除尘器性能劣化进行了系统诊断，论文题为《Electrostatic Precipitator Performance in Old Boilers in India – Cause & Suggested Remedial Measures》[1]。作者分别从锅炉燃烧、空气预热器泄漏、烟道漏风、机组热耗增加等角度，量化分析了这些偏离设计工况的因素如何联合作用，直接把 ESP 推到“失效边缘”。

研究首先指出一个在工程实践中屡见不鲜、却常被有意无意忽略的现实：ESP 在设计阶段通常是按“最理想工况”来选型——最高锅炉效率、最低机组热耗、空气预热器近似零泄漏、锅炉本体和烟道几乎无漏风。在这样“试验跑道级”的边界条件下，得出的烟气量最低，从而压低了电除尘器的比集尘面积（SCA）和投资成本。但在老机组长期运行中，实际工况正好反向演变：燃煤品质恶化、机组热效率下滑、空预器磨损腐蚀、受热面及烟道系统漏风严重，导致进入 ESP 的烟气量和粉尘负荷双双攀升，使得原本“刚刚够用”的 ESP 被硬生生推成“先天偏小”的设备。

从方法上看，作者并未局限于实验室条件，而是基于多台机组的现场实测数据，构建了一套较为完整的工况偏移诊断框架。通过在省煤器入口、空预器入口与出口、ESP 入口及出口、引风机出口等关键截面测量烟气含氧量及推算过量空气系数，计算不同部位的漏风比例，进而折算出实际 ESP 入口烟气质量流量、体积流量和温度。同时，结合煤质分析和入、出口粉尘浓度数据，评估 ESP 实际集尘效率、排放浓度以及“每 MW 发电量的单位排尘量”等指标，并与原设计参数进行一一对比。

数据揭示的问题相当尖锐。以某210 MW 机组为例，原设计 ESP 处理烟气量约320 m³/s，对应机组三十年代型热耗假定条件下的比烟气流量约1.52 m³/s·MW。实测表明，由于机组总热耗明显上升，加之锅炉系统与空预器的严重漏风，ESP 实际烟气处理量超过400 m³/s，比烟气流量飙升至约2.5 m³/s·MW，较设计值上升超过60%。在这种被动“超负荷”下，尽管 ESP 入口粉尘浓度并未成倍增加，但设备出口排放浓度却从设计的约740 mg/Nm³ “理论合规”状态，被实际运行拉高到超过1000 mg/Nm³，且单位发电量的排尘量是设计值的2倍以上。

造成 ESP 操作点偏离的首要因素，并非很多人第一反应的“煤不好了”，而是机组整体热耗和漏风的长期叠加效应。研究指出，煤质恶化（如设计热值4000 kcal/kg 下降到3200 kcal/kg，灰分从32%上升至40%以上，总水分由8%升至12%）虽然会使单位热量对应的煤耗、灰量和烟气重量有所抬升，但通常只带来3%–5%的烟气质量流量增加。相比之下，锅炉本体砌筑劣化、烟道和膨胀节维护不良带来的系统漏风，可额外增加5%–10%的烟气量；空预器密封磨损、元件腐蚀或堵塞，则会再叠加10%–15%的烟气量增长。更关键的是，随岁月推移，机组热效率整体下降、热耗上升，导致“每 MW 发电需要燃烧更多的煤、产生更多的烟气”，在极端案例中，这部分贡献可让单位 MW 的比烟气流量增加50%–60%。多因素累积后，进入 ESP 的烟气体积流量往往比设计值高出一半甚至更多，使得比集尘面积被动大幅缩水，静电除尘效率显著下降。

这项研究还特别关注了烟气在不同 ESP 通道（pass）间的分配不均及粉尘负荷的不均匀性。以切圆燃烧锅炉为例，由于炉膛火焰偏旋和烟气流动组织的特点，在脱离炉膛上升与转向过程中，即便后续空预器工作完全正常，也往往形成“右侧烟气量和含尘量显著高于左侧”的结构性失衡。作者指出，ESP 各通道间烟气流量可偏离平均值15%–20%，粉尘负荷甚至可以相差25%以上。这种固有的不均匀性，有时被机组运行人员误解为“某一侧 ESP 性能变差”，而没有从上游燃烧组织、磨煤机出力分配和一次风管平衡的角度去寻找根因。

针对烟气量和流场偏差，研究提出了一个在工程改造中极具操作性的建议：在各 ESP 通道出口布置基于皮托管原理的简易流量测量装置，并在后续总烟道段设置可调节的流量均衡挡板，通过定期人工调节，实现不同通道烟气量的近似均衡。作者的估算显示，在典型210 MW 机组上，这一改造方案可能带来约10 mm 水柱的额外阻力损失，折算为引风机功耗增加约60–80 kW，但换来的是 ESP 各通道更充分、更均衡的集尘“停留时间”，整体排放性能得到明显改善，性价比相当可观。

在锅炉侧维护建议上，作者给出了几条非常具体、且在国内机组同样具有高度参考价值的“低成本高回报”措施：其一，利用每次大修契机，恢复炉膛结顶、二次风道及二次烟道砌筑的完整性，确保这些高温高负压部位的漏风降到最低，并通过大修前后对比运行参数进行验证；其二，对空预器执行严格的状态评估和元件更换计划，及时处理堵塞、腐蚀和磨损问题，采用改进型密封结构降低空气—烟气侧互串与旁路泄漏，并通过空预器进出口氧量及温度对比考核维护成效；其三，系统性排查省煤器出口至 ESP 入口之间烟道及膨胀节的漏风点，特别是灰斗与落灰系统接口处的漏风隐患，在每次大修中纳入整治清单；其四，优化粉磨系统维护，保持良好的制粉细度及风粉分配均衡，使锅炉能在尽可能低的过量空气系数下稳定燃烧，既改善燃烧效率，又减少进入 ESP 的烟气量和未燃碳对集尘性能的干扰。

在 ESP 设计与改造策略上，Hariharan 与 Sivaraman 提出了一套十分“接地气”的裕度建议：以最不利煤质及锅炉热工工况为基础进行烟气量核算，空气预热器按预期泄漏率计入，且对锅炉及烟道漏风额外增加约15%的质量流量裕度；同时，再附加10°C 的空预器出口烟温裕度，用以反映长周期运行后传热能力下降导致的温升，以及相应约2.5%的体积流量增加。在粉尘负荷计入方面，建议按“煤灰量的90%进入 ESP”进行设计，以部分对冲不同通道间不可避免的含尘不均影响。此外，设计条件中应明确提出“在每侧 ESP 保留一电场停运的情况下，仍需满足排放标准”的可靠性约束，并预留至少一到两电场的扩容空间，以便将来应对更严苛的排放限值和煤质进一步恶化的可能。

论文最后通过对一台110 MW 和一台210 MW 老机组的实测工况与扩容计算对比指出，要将原本仅满足150–300 mg/Nm³ 水平的 ESP 升级至长期稳定满足100 mg/Nm³ 甚至50 mg/Nm³ 的排放要求，在烟气量已显著高于设计、煤质和热耗均不利的前提下，所需有效比集尘面积的增量不再是“微调”，而是成倍级别：110 MW 机组约需增加到原有面积的1.5倍，210 MW 机组甚至需扩展到约2倍。这样的结果，对正在规划或实施老机组 ESP 改造的电厂和设计单位，是一个十分直观的“现实提醒”：如果仍按原设计工况做线性放大，势必再次低估需求，埋下改造后依旧难以达标的隐患。

从行业视角看，这项研究的最大价值，在于用详实的现场数据打破了“问题在 ESP 自身”的惯性叙事，明确表明静电除尘性能的优劣，是锅炉、空预器、烟道系统、机组热力系统与 ESP 自身设计和运维共同作用的结果。对于正处在超低排放改造、二次提标压力之下的电力和钢铁、水泥等行业而言，这种“从机组系统视角看 ESP”的思路，可能比任何单一设备升级方案都更具启发意义。

在未来的工业环保工程实践中，静电除尘器性能评估应逐步从“设备达标验收”扩展到“单位发电量（或单位产量）排放量考核”，并将锅炉侧综合热耗、电厂漏风控制、空预器健康状态等关键指标纳入环境绩效评价体系。只有当每一方利益相关者——锅炉厂家、ESP 厂家、EPC 总包和业主运营团队——都切实感受到系统工况偏离对排放绩效的直接约束时，“为 ESP 留够裕度”的观念才可能真正得到贯彻，而不是停留在技术方案文本中的“良好愿望”。

参考文献
[1] Hariharan V, Sivaraman K. Electrostatic Precipitator Performance in Old Boilers in India – Cause & Suggested Remedial Measures[C]//ISESP Conference Papers. International Society for Electrostatic Precipitation, year unknown.

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